光测条纹图处理中免除噪声的正则化条纹法Ξ

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1、第14卷　第3期实　验　力　学Vol.14No.31999年9月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSSep.1999X光测条纹图处理中免除噪声的正则化条纹法于起峰(国防科学技术大学航天技术系,湖南长沙,410073)摘要　在光测条纹图自动处理研究领域内有许多不同种类的处理方法,免除噪声的正则化条纹法,或称纯条纹灰度法,是有效的方法之一。本文综述了作者提出的免除噪声正则化条纹法的原理和多种方法。然后对广义旋滤波进行了改进,用于消除ESPI图的散斑噪声,并且不损害条纹信号分布。实验表明本方法具有良好的结果和前景。关键词　条纹图　旋滤波　免除噪声　电子散斑　正则化1　前言　　

2、光测干涉条纹图自动处理已有20多年的历史,现在仍是现代光测实验力学的重要研究任务之一,也是光测力学方法走向实际工程应用的主要难题之一。干涉条纹图自动处理可分成许[1][2][3][4]多类方法,如条纹中心线法、富氏变换法、条纹灰度法和相移法等。其中相移法是国际公认的最有效、精度最高的方法。但这类方法要求至少三幅或三幅以上的带有相移的条纹图。这使得相移法在实验装置上较复杂,尤其对动态实验过程难以应用。此外在相移主值图解包裹中,需要可靠性好的算法和程序,是国际上尚未解决的问题。在发展相移法的同时,其它方法也仍在发展,相互间不能完全取代。[5,6]本文综述作者提出的免除噪声的正则化条纹处理法,或称纯

3、条纹灰度法。首先简要介[7,8][9]绍该方法中主要方法的原理,包括消除随机高频噪声的多种旋滤波法和广义旋滤波法,消除条纹系统噪声(背景变化,条纹幅值变化和中心线相位系统误差)的二维包络面变换[5,6][7,9,10][5,11,12]法,提取条纹中心线的导数符号二值图法,纯二次条纹图法,单幅图和双幅图相[13]移法等。这些方法在国际国内都得到了许多应用,证实了这些方法的有效性和实用性,特别是多种旋滤波对条纹图去噪声有特效。最后本文对通用旋滤波进行改进,并应用于电子散斑条纹图散斑噪声的消除,实验表明新方法具有良好的效果前景。2　免除噪声的正则化条纹法基本原理　　我们知道多种干涉条纹图(包括全息

4、、云纹、光弹等差线图等)光强或灰度分布规律都可用X本文部分内容得到了国家自然科学基金的资助。基金项目号为:19872077本文于1999年2月19日收到第1稿,1999年8月9日收到修改稿©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期　　　　　　　　于起峰:光测条纹图处理中免除噪声的正则化条纹法　　　　　　　　　295同一个数学公式表达:lI(x,y)=I0(x,y)+I1(x,y)cos(U(x,y))+In(x,y)(1)l其中I(x,y)是条纹图的灰度值,I0(x,y)是背景分布,I1(x,y)是条纹幅

5、值或对比度,U(x,y)是l我们关心的相位场,In(x,y)是相加随机噪声。我们实验中的唯一已知量是I(x,y),而它是由I0(x,y)、I1(x,y)、In(x,y)和U(x,y)四个未知量所决定。因此从一个含四个未知量的方程中求解一个量U(x,y)决定了此问题是复杂和困难的。免除噪声的正则化条纹法的基本思想是,若我们能将(1)式中In(x,y)、I1(x,y)、I0(x,y)三个我们不需要的量消掉,或化成已知的参数,可将原条纹图变换成如下理想图:I(x,y)=I0+I1cos(U(x,y))(2)其中I0、I1为已知的常数。此时条纹图式(2)的每一点的灰度值就直接确定地对应一个相位主值:U

6、(x,y)=arccos[I(x,y)-I0)öI1](3)　　因此,如果没有噪声,包括随机噪声和系统噪声,则从条纹图中求解相位场是直接了当的事。我们称(2)式为免除噪声的理想条纹图或正则化条纹图。图1是免除噪声的条纹图灰度分布示意图。实线是原条纹灰度分布,虚线是免除噪声正则化条纹图灰度分布。因此为了建立此正则化条纹图,作者研究提出了旋滤波法来消除随机噪声In(x,y),提出了二维包络面变换来消除系统噪声:I0(x,y)和I1(x,y)的变化。这里最重要、最困难的事情是在消除随机噪声和系统噪声的同时,必须不损害、不影响相位场的分布,即对条纹的分布不产生畸变。从而从原始条纹图式(1)中建立了一幅

7、保持相位场不变的免除噪声的条纹图式(2)。从此免除噪声的正则化条纹图,可用多种方法直接方便地得到相图1　免除噪声的正则化条纹图灰度分位场分布。布示意图。实线是原条纹灰度分布,虚从理论上和实践上说,噪声是不可能完全消线是免除噪声正则化条纹灰度分布。除的。本文的“免除噪声”术语是指将噪声极大地抑制,残余噪声不对最终处理结果产生有意义的影响。3　旋滤波原理与条纹方位图　　用各种常规各向同性的滤波,如均值